Бесконтактные методы измерения расхода жидкости в напорных и безнапорных трубопроводах
Г.В. Громов
Фирма “СИГНУР”, Москва
А.В. Озеров
СМНУ МГП “Мосводоканал”, Москва
М.Н. Шафрановский, кандидат технических наук
Фирма “СИГНУР”, Москва
Создание и развитие новых технологий и производственных процессов, увеличение стоимости воды и энергетических ресурсов, усиление мер, направленных на защиту окружающей среды, привели к возросшей потребности измерения расхода воды и других жидкостей, протекающих в напорных и безнапорных трубопроводах. Измерение расхода по частоте применения занимает в настоящее время второе место после измерений температуры, что составляет ориентировочно 25% всех промышленных измерений. В настоящее время наиболее перспективными являются методы измерения с использованием акустических волн. Это обусловлено тем, что акустические колебания и волны являются универсальными носителями информации о состоянии различных объектов. Безопасность и простота излучения-приема акустических, в основном ультразвуковых (УЗ), волн в сочетании со способностью распространяться практически в любых средах позволяют применять УЗ-методы для измерения расстояния, расхода, давления, плотности и других параметров контролируемых сред. Однако основным достоинством УЗ-методов является возможность бесконтактного измерения расстояния и расхода.
Измерения расхода жидкости в напорных трубопроводах
По сложившейся традиции, для измерения расхода жидкостей в напорных трубопроводах наиболее часто применяются врезные ультразвуковые расходомеры, поскольку их принято считать более точными по сравнению с расходомерами, которые устанавливаются на внешней поверхности трубопровода (с накладными УЗ-преобразователями). Однако в последние десять лет были созданы достаточно надежные и точные (с погрешностью измерения ~2-5%) расходомеры с накладными УЗ-преобразователями, и сейчас они находят все более широкое применение. Это обусловлено тем, что расходомеры с накладными датчиками не требуют врезки в трубопровод, остановки технологических процессов, перекрытия вентилей и т. п., что особо ценно при экспресс-измерениях. Кроме того, не возникает падение давления в трубопроводе, нет влияния прибора на поток, отсутствует возможная коррозия УЗ-преобразователей. Эти приборы отличает простота установки, переноса и замены УЗ-датчиков. Накладные УЗ-преобразователи имеют специальную систему крепления, в которую входят цепи или магниты, и могут монтироваться на действующих трубопроводах в течение 10-20 минут. Применение расходомеров с накладными УЗ-преобразователями обеспечивает значительную экономию затрат, так как стоимость установки врезных расходомеров может быть сравнима со стоимостью самих расходомеров, а для трубопроводов больших диаметров - и превосходить ее. Кроме того, расходомеры с накладными УЗ-преобразователями позволяют проводить измерение расхода жидкости, протекающей в чугунных, пластмассовых, стеклянных трубопроводах, где применение врезных расходомеров существенно затруднено. Принцип действия существующих в настоящее время расходомеров с накладными УЗ-преобразователями базируется на трех различных методах измерения скорости потока: - корреляционном, - с использованием эффекта Доплера, - время-импульсном.
• Корреляционный метод
Корреляционный метод основан на измерении скорости движения неоднородностей потока: турбулентных вихрей, а также газообразных и твердых включений путем выделения среднего временного интервала, необходимого для преодоления этими неоднородностями расстояния между двумя парами “излучатель- приемник ультразвука”, расположенными на известном расстоянии друг от друга. Причем УЗ-колебания распространяются перпендикулярно оси потока. По разным причинам этот метод не получил широкого применения
• Метод, основанный на использовании эффекта Доплера
Второй метод основан на известном в физике эффекте Доплера - изменении частоты сигнала, отраженного от движущегося объекта. Сигнал известной частоты (обычно 0,5-2 МГц) распространяется в жидкой среде, отражается от движущихся в потоке твердых частиц, пузырьков воздуха, локальных различий в плотностях и температурах среды. Чем больше инородных включений в жидкой среде, тем уже полоса частот информативного отраженного и принимаемого сигнала, что обеспечивает более высокую точность измерения скорости движения инородных включений, причем скорость движения инородных включений может отличаться от скорости движения самой жидкой среды примерно на 1-1,5%. Частота отраженного УЗ-сигнала сравнивается с частотой исходного сигнала (частотой излучателя) и вычисляется разница этих частот, которая в дальнейшем используется для определения скорости потока и расхода жидкости.
Доплеровские УЗ-расходомеры применяются главным образом для измерения расхода многофазных потоков: пульп, суспензий и эмульсий. Типичный представитель таких приборов - расходомер DDF 3078 PEEK MEASUREMENT (США).
•Время-импульсный метод
Третий метод основан на разности скоростей распространения УЗ-колебаний вдоль направления движения потока жидкости и навстречу ему. УЗ-колебания, проходящие сквозь среду в направлении движения потока, достигают приемника быстрее, чем УЗ-колебания, проходящие сквозь среду навстречу движению потока. Измеряя разницу скоростей распространения УЗ-колебаний вдоль направления движения потока и навстречу потоку жидкости, можно определить скорость движения жидкой среды и вычислить ее расход. Данный метод получил в последние годы наиболее широкое применение. Это обусловлено его высокой точностью в широком диапазоне изменения расходов любых звукопроводящих сред с низким содержанием (порядка 1-3%) газообразных и твердых включений, малой инерционностью (0,1-1 с), возможностью измерения расхода пульсирующих и импульсных потоков, высокой чувствительностью к изменению скорости потока (~1-2 мм/с). Поскольку излучение УЗ-колебаний происходит короткими импульсами, длительность которых на 2-3 порядка меньше периода их повторения, появляется возможность вкладывать в каждый акустический импульс достаточно высокий уровень энергии при относительно небольшой средней мощности, затрачиваемой на излучение УЗ-колебаний (энергопотребление у время-импульсных расходомеров примерно в 2-4 раза ниже, чем у расходомеров с использованием эффекта Доплера). Последнее имеет существенное значение при вводе акустических колебаний в поток жидкости непосредственно через стенку трубопровода, так как большое различие акустических сопротивлений контролируемой среды и материала трубопровода обусловливает низкий КПД передачи энергии УЗ-колебаний. Наиболее известными приборами, реализующими время-импульсный метод измерений расхода жидкости, являются расходомеры PORTAFLOW MKII-R (MICRONICS, Великобритания), PT 868 (PANAMETRICS, Ирландия), LT860 (KROHNE, Германия), АКРОН-01 (“СИГНУР”, Россия), однако высокая стоимость импортных приборов (порядка 6-12 тысяч долларов) существенно ограничивает их применение.
Несмотря на простоту монтажа накладных УЗ-преобразователей на действующие трубопроводы, для получения достоверных результатов измерений необходимо соблюдать следующие условия:
- зачищать внешнюю поверхность трубопровода от краски и ржавчины до металлического блеска. Поверхность преобразователя и место контакта преобразователя с трубопроводом должны быть покрыты специальными желеобразными смазками, чтобы удалить воздушную прослойку, не пропускающую УЗ-колебания;
- материал трубопровода должен быть звукопроводящим. Сравнительно рыхлые материалы (бетон, теплоизолирующая обшивка, внутренняя футеровка - особенно не жестко связанная с материалом основного трубопровода) часто вообще не позволяют применять расходомеры с накладными УЗ-преобразователями. “Твердые” материалы трубопровода (сталь, чугун, алюминий, ПВХ, стекло) хорошо проводят УЗ-колебания, и проблем с применением расходомеров с накладными датчиками не возникает;
- равномерность потока жидкости в трубопроводе имеет важное значение для получения достоверных результатов измерений. Так как конфигурация трубопровода около места установки накладных УЗ-преобразователей влияет на характер потока и, следовательно, может повлиять на результаты измерений, то для установки датчиков необходимо найти достаточно длинный прямолинейный участок трубопровода. Для время-импульсных расходомеров длина прямолинейного участка трубопровода должна составлять 5-10 Ду до и не менее 5 Ду после места установки датчиков (Ду - диаметр условного прохода трубопровода). Расходомеры, работающие на эффекте Доплера, предъявляют более строгие требования к прямолинейным участкам трубопровода (10-20 Ду до расходомера и не менее 10 Ду после него). В общем случае спектр отраженного сигнала довольно широк. В нем присутствуют гармоники различного происхождения, а не только информативные. Находящиеся в трубопроводе фланцы, клапаны, ответвления, изгибы, сужения и т. п. приводят к переменным локальным возмущениям потока, которые отражают исходный УЗ-сигнал и вносят неинформативные гармоники в спектр отраженного сигнала. Кроме того, вибрации трубопровода существенно затрудняют применение доплеровских расходомеров. Датчики расходомеров обоих типов желательно устанавливать на полностью заполненном жидкостью горизонтальном отрезке трубопровода на боковых поверхностях, а не в вертикальной плоскости, так как отложения на дне или воздушные пузыри сверху могут препятствовать нормальному распространению УЗ колебаний. Если нет возможности установить датчики на горизонтальном участке трубопровода, то следует выбирать для их установки вертикальный участок трубопровода с восходящим потоком жидкости. В трубопроводе с нисходящим потоком жидкости могут присутствовать пузырьки воздуха, стремящиеся вверх, что может привести к существенной погрешности измерений с помощью доплеровских расходомеров. При использовании расходомеров с накладными датчиками особое внимание необходимо уделять определению внутреннего диаметра трубопровода Ду, так как расход жидкости вычисляется на основании измерения скорости потока и введенного оператором значения Ду. Получить точное значение Ду (не вскрывая трубопровод) - непростая задача, особенно на старых трубопроводах. Реальное внутреннее сечение трубопровода может быть сильно искажено коррозией (за исключением пластмассовых труб), а также отложениями солей кальция, уменьшающими это сечение. Для более точного определения внутреннего сечения трубопровода используются ультразвуковые толщиномеры. Пользователю для корректного измерения расхода необходимо дополнительно приобретать УЗ-толщиномер. Стоимость современных УЗ-толщиномеров составляет примерно 500-800 долларов. Однако расходомеры РТ 868 и АКРОН-01 имеют встроенные УЗ-толщиномеры, что существенно повышает потребительские качества этих приборов. В процессе выбора и практического использования УЗ-расходомеров с накладными датчиками необходимо учитывать все вышеизложенные обстоятельства. Поэтому при экспресс-обследованиях и инструментальном энергоаудите эти приборы незаменимы.
Измерения расхода жидкости в безнапорных трубопроводах и каналах
Расход жидкости (в основном сточных вод) в безнапорных трубопроводах и каналах измеряется, как правило, методом переменного уровня, когда мерой расхода является определяемый уровень жидкости в выбранном измерительном сечении. Для получения устойчивой зависимости между уровнем и расходом в канал встраивают сужающее устройство - измерительный лоток или водослив. В безнапорных трубопроводах диаметром 0,1-3,0 м и лотках U-образной формы можно производить измерение расхода по методике, разработанной Научно-исследовательским институтом коммунального водоснабжения и очистки воды (НИИКВОВ), которая не требует встраивания сужающих устройств. Суть метода состоит в измерениях скорости движения потока и уровня заполнения трубопровода или лотка, при котором выполнялись эти измерения скорости. Далее следует расчет градуировочной характеристики водовода на основе полученных результатов. Таким образом, основной задачей при измерении расхода в безнапорных трубопроводах и каналах является измерение уровня текущей жидкости. Для решения этой задачи существует несколько методов.
Пьезометрический метод
Пьезометрический метод в основном применяется для вспененных потоков и при наличии сильного ветра. Пьезометрический датчик устанавливается и крепится на дне канала и измеряет гидростатическое давление столба жидкости. Расход жидкости рассчитывается исходя из этой величины и гидравлических характеристик канала.
Барботажный (пневмометрический) метод
Метод применяется в основном для потоков с большим содержанием пены и пара, значительными колебаниями температуры, а также при наличии в жидкости коррозионно-активных веществ. Этим методом измеряется давление, необходимое для выдавливания пузырька воздуха через трубку, конец которой закреплен на дне канала. Гидростатическое давление столба жидкости, а значит и уровень жидкости, пропорциональны этому давлению. Так как трубка может закупориваться, ее периодически необходимо продувать. Расход жидкости определяется исходя из измеренного давления и гидравлических характеристик канала.
Метод с использованием эффекта Доплера
Этот метод применяется в основном для измерения расхода загрязненных потоков, когда не требуется относительно высокая точность. УЗ-датчик устанавливается на дно канала или трубопровода и осуществляет измерение локальной скорости потока, которая может несколько отличаться от средней скорости потока. Расход воды определяется исходя из усредненной скорости потока и площади сечения. Кроме того, тем или иным способом измеряется уровень потока.
Бесконтактный акустический метод
Бесконтактный акустический метод применяется для сильно загрязненных потоков. УЗ-датчик датчик уровня , практически не требующий обслуживания, устанавливается выше максимально возможного уровня заполнения канала или трубопровода и измеряет уровень жидкости в канале по времени распространения акустических колебаний от УЗ-преобразователя до поверхности потока. Расход жидкости определяется исходя из величины уровня заполнения и градуировочных характеристик канала или трубопровода. Этот метод измерения получил в настоящее время наиболее широкое применение. К его достоинствам можно отнести высокую разрешающую способность (0,5-1,0 мм), малую инерционность (1-2 с) и широкий диапазон измерения уровня (от 0,01 до 10,0 м). Кроме того, если по метрологическим характеристикам все эти методы существенно не отличаются друг от друга, то эксплуатационные характеристики акустического метода значительно выше. Этот метод измерения не требует внедрения в поток, что повышает надежность функционирования УЗ датчиков (отсутствует возможность их коррозии), а также упрощает установку и замену прибора. В России наиболее известными приборами, реализующими акустический метод измерения, являются расходомеры ЭХО-Р-02 фирмы “СИГНУР” (Россия) и расходомеры серии 4210 фирмы ISCO (Швейцария). Несмотря на простоту установки УЗ-преобразователя акустического расходомера, для получения достоверных результатов необходимо соблюдать следующие условия:
- измерительное сечение, т. е. сечение, в котором располагается акустический преобразователь, необходимо выбирать в середине потока или трубопровода;
- поток жидкости должен быть установившимся, для чего длина прямолинейного участка трубопровода без боковых отводов, имеющего постоянный уклон перед измерительным сечением, должна быть не менее 20, а после него не менее 10 максимальных уровней заполнения трубопровода;
- в измерительном сечении и вблизи него не должно быть местных выступов, закладных деталей и других предметов, вызывающих искажения уровня за счет местных возмущений потока;
- на погрешность измерения расхода оказывает существенное влияние погрешность калибровки трубопровода или лотка. Допускается осуществлять калибровку трубопроводов и лотков расчетным методом с использованием известной формулы Шези.
Основными данными для такого расчета являются строительный уклон трубопровода и коэффициент шероховатости стенок. Однако уклон, указанный в строительной документации, часто не совпадает с реальным, а коэффициент шероховатости стенок изменяется в процессе эксплуатации. Поэтому калибровка трубопроводов и лотков расчетным методом дает менее точные результаты, чем экспериментальный метод НИИКВОВ. В процессе выбора и практического использования расходомеров для безнапорных трубопроводов и каналов необходимо учитывать метрологические и эксплуатационные качества приборов, однако, при прочих равных параметрах, по эксплуатационным характеристикам акустический метод измерения расхода жидкости имеет существенное преимущество.